荊州市環境空氣質量變化及其影響因素分析

李江麗

（湖北荊州環境保護科學技術有限公司，湖北 荊州 434000）

0 引言

隨著荊州市經濟的快速發展和城市化進程的不斷加快，空氣污染已成為目前突出的環境問題之一。雖然通過大力開展大氣污染防治行動，環境空氣質量總體改善[1]，但霧霾天氣仍時有發生[2]，給居民健康、生活等帶來不利影響，因此環境空氣質量仍需進一步改善。荊州市經濟發展迅速，地區生產總值從2010年的837.1 億元增加到2019 年的2516.48 億元，能源總消耗量由708.36 萬t 標準煤增加到952.61 萬t 標準煤，機動車保有量增長了2.34 倍，給荊州市生態環境帶來了較大壓力。荊州的環境空氣質量與湖北省部分城市相比較差[3]，因此研究荊州市環境空氣質量變化特征及其影響因素對控制空氣污染有重要意義。本文根據荊州市環境空氣質量監測資料，探討荊州市空氣質量變化趨勢及其影響因素，以期得出其環境空氣演變規律，為荊州市空氣污染控制提供科學的依據。

1 研究方法和數據來源

1.1 數據來源

本文采用2010—2019 年荊州市環境空氣質量長期定點監測數據，以 SO2、NOx、PM10、PM2.5、CO、O3等污染物濃度進行年度和年內污染趨勢分析，文中數據來源于荊州市環境質量公報、荊州市環境統計年報和荊州統計年鑒。

1.2 分析方法

使用Daniel 趨勢檢驗方法（又名Spearman 秩相關系數法）分析空氣污染物的變化趨勢及其統計學顯著特征，見式（1）。

式中：rs——秩的相關系數；n——時間周期數；xi——年均值從小道大排列的序數；yi——年先后排列序數。

rs值的正負分別表示污染的增長和下降，其絕對值的大小表示變化的強度。將秩相關系數rs的絕對值與Spearman 秩相關系數統計表中的臨界值Wp進行比較，如果則表明變化趨勢有顯著意義。n 為10 年，單側檢驗的顯著水平為0.05。

根據荊州市大氣污染物濃度總體變化趨勢，本文采用Daniel 趨勢檢驗分別分析各污染物近10 年的總體變化趨勢。

2 結果

2.1 空氣污染趨勢分析

2.1.1 空氣總體變化趨勢分析

荊州市環境空氣質量變化分為兩個階段：2010—2014 年環境空氣質量總體下降；2015—2019 年環境空氣質量有所改善。

用Daniel 趨勢檢驗分析各污染物變化的趨勢，結果表明，不同污染物呈現出不同的變化趨勢（圖1）。2010—2019 年，SO2濃度呈現先上升、后下降的趨勢，2013 年達到峰值，總體顯著下降趨勢［圖 1（a）］，尤其是 2015 年后，下降趨勢顯著（P＜0.05）；NO2濃度為上升趨勢，但趨勢不顯著［圖 1（b）］，2014 年達到峰值；PM10 濃度呈現先上升，后下降的趨勢，2014 年達到峰值，總體下降趨勢不顯著［圖 1（c）］；PM2.5 和CO 濃度為顯著下降趨勢［圖 1（d）］；O3濃度為下降趨勢，但趨勢不顯著［圖 1（d）］。

圖1 荊州市空氣污染物濃度的年際變化趨勢

2.1.2 污染物濃度季節變化特征

由圖 2 可見，SO2、NO2、PM10、PM2.5 和 CO 月均濃度值變化趨勢基本一致，呈“U”型變化特征，總體表現為冬季最高、春秋次之、夏季最低的特征，濃度高值主要出現在冬季的1 月、12 月，其中1 月的PM10、PM2.5、CO 月均值濃度最高，12 月的 SO2、NO2月均值濃度最高，PM2.5 月均值除6—10 月外其他月份均超過國家二級標準，污染月份持續最久。O3濃度3—11 月較高，超標主要發生在夏季、初秋，冬季最低。

圖2 2019 年荊州市大氣污染物月均值變化

空氣污染物濃度季節變化特征明顯，主要受地形、氣象條件和人類生產及生活活動影響[1，4]。夏季氣溫高，對流強烈，大氣邊界層高度較高，擴散條件較好，有利于5 種污染物濃度降低。冬季氣溫較低，大氣層易出現逆溫現象，大氣邊界層高度較低，不利于大氣中污染的擴散，外源輸入與本地污染物疊加易形成污染天氣[1，5-6]。

根據2005—2014 年荊州市PM10 月均值分析，10 月PM10 濃度出現小高峰可能是受秸稈燃燒影響[6]，而 2019 年 9 月、10 月的 PM10 月均值較 7 月、8 月僅略有上升（圖2），并未形成明顯小高峰。荊州市持續推進秸稈垃圾禁燒與綜合利用，露天焚燒火點數及黑斑數逐年下降，秸稈綜合利用率穩步達到96%以上，說明秸稈禁燒工作對降低顆粒物濃度有一定的貢獻，在后續污染防治攻堅過程中，仍需強化秸稈綜合利用和禁燒管控，建立秸稈禁燒長效機制。

2.1.3 空氣污染特征

2010—2014 年，荊州市3 項大氣污染物中以PM10 影響程度最大，為城市大氣首要污染物。2015—2019 年，荊州市6 項大氣污染物中以PM2.5 影響程度最大，其次為O3和PM10，首要污染物為PM2.5、O3、PM10。

NO2和SO2濃度表現出不同的消長趨勢，表明荊州市空氣污染總體特征在發生改變。如圖3 所示，2010—2014 年，NO2/SO2濃度比值為 0.51~0.91，之后逐年上升，2019 年達到3.56，NO2濃度的相對比例逐漸增加，這表明荊州市城市空氣污染特征逐漸從傳統煤煙型污染轉變為機動車尾氣型污染。

圖3 2010—2019 年荊州市城市NO2/SO2 濃度比值變化趨勢

2.2 環境空氣質量變化的影響因素

荊州市社會經濟快速發展，能源使用量與機動車數量高速增長，為環境空氣質量帶來巨大壓力。同時，2013 年“大氣十條”發布以來，荊州市采取了一系列大氣污染防治措施，主要包括產業結構優化、能源結構優化、重點污染源整治、機動車尾氣控制、揚塵污染治理等以及秸稈禁燒、餐飲油煙污染整治等其他環境保護措施，大氣污染物增加的壓力與大氣污染防治措施的相互作用是驅動荊州市近10 年環境空氣質量變化的主要因素。

2.2.1 產業結構升級和能源結構優化

產業結構優化調整是改善環境空氣質量的重要措施[1，7]。2010—2019 年，荊州市產業結構已由第二產業為主轉變為第三產業為主，三大產業結構由2010 年的 27.6:38.9:33.5 調整為 2019 年的 17.3:37.1:45.6，其中工業的比例由35.03%下降至33.54%，產業結構優化調整升級是驅動荊州市空氣質量好轉的因素之一。

同時，能源利用效率逐年提升，2019 年荊州市萬元GDP 能耗為0.378 t 標準煤，比2010 年下降62.7%，全市總能耗2019 年相比2010 年增加了34.5%，說明荊州市節能降耗工作成效明顯，在保障經濟發展的同時減少了污染物排放。此外，能源消費結構不斷優化，天然氣等清潔能源使用比例上升，原煤消耗量（折標準煤計）占總能耗的比例由2010 年的64.43%下降到2019 年的54.65%，天然氣消耗量占總能耗的比例由2010 年的1.27%上升到2019 年的3.53%，同期 SO2年均濃度由 35 μg/m3下降到 9 μg/m3，2010—2019 年，天然氣供應量與SO2年均濃度有較顯著相關關系（圖 4，r=-0.7256，P＜0.05）。

圖4 荊州市天然氣供應量與SO2 濃度關系

2.2.2 重點污染源整治

燃煤鍋爐排放大量的SO2、NOx和煙粉塵，2013年開始荊州市開展燃煤鍋爐淘汰，據統計，截至2017年共淘汰20 蒸噸以下燃煤鍋爐800 余臺，燃煤電廠、鋼鐵企業實施超低排放改造，更加嚴格的相關大氣污染物排放標準頒布施行，以及新上污染源實行總量控制、限制達標，對減少污染物排放起到了重要作用。與2013 年相比，2019 年荊州市工業SO2、煙粉塵的排放量分別減少了約88%、42%，荊州市SO2濃度從 2014 年開始降低［圖 1（a）］，PM10 濃度從 2015 年開始降低［圖1（c）］，表明燃煤鍋爐綜合整治、重點行業超低排放改造等行動對減輕荊州市空氣污染有較大貢獻。

2.2.3 機動車尾氣控制

機動車尾氣是城市中PM10 和NO2的重要貢獻源[8]，荊州市機動車保有量由2010 年的1.61 萬輛增加到2019 年的5.38 萬輛，平均每年增加約12.8%，機動車尾氣排放為荊州市大氣污染物重要來源之一。2010—2019 年間荊州市機動車保有量與NO2年均濃度相關性不顯著（圖5，P＞0.05），雖然機動車保有量快速增長，但機動車尾氣排放標準提高、推行“檢驗—維修—復檢”閉環管理、嚴格油品質量監管等措施對控制機動車大氣污染源起到了一定作用，截至2017 年年底，荊州市共淘汰2.5 萬輛黃標車。NO2濃度并沒有隨著機動車保有量增加而顯著上升，說明上述機動車尾氣控制措施對減輕機動車污染源有一定效果。

圖5 荊州市機動車保有量與NO2 濃度關系

2.2.4 揚塵污染治理

揚塵是荊州市顆粒物污染物來源之一，其中建筑揚塵等開放源造成的污染對城市環境空氣質量影響顯著[8]。荊州市建筑業生產總值由2010 年的32.06 億元增加到2019 年的90.41 億元，平均每年增加約10.9%。根據研究，建筑業增加值增長，城市環境空氣質量總體下降[9]，而2010—2019 年，荊州市建筑業生產總值與PM10 年均濃度相關性不顯著（圖6，P＞0.05），說明建筑揚塵不是顆粒物的最主要來源，同時，荊州市出臺了《荊州市揚塵污染防治條例》，建筑拆遷施工場地實施抑塵防塵“六化”標準，對渣土車輛實施智能監控，加強道路灑水降塵，城市管理水平不斷提升，在一定程度上減少了揚塵的產生。

圖6 荊州市建筑業生產總值與PM10 濃度關系

2.2.5 自然影響因素

除人為因素，大氣污染物濃度時空變化還受地形、氣象條件、沙塵等自然因素影響[1]。荊州市處于“兩山夾一溝”的特殊地理位置，在東北風作用下受西部荊山山脈阻擋影響，風速降低并產生污染物回流，不利于污染物擴散。氣壓、氣溫、水汽壓、濕度、云量、風速、降水和光照等氣象因素與大氣污染濃度有相關關系，如2014 年1 月荊州氣溫異常偏高，冷空氣活動弱，降水偏少，日照時數異常偏多，導致2014年1 月出現6 d 嚴重污染，而2015 年和2016年沒有出現嚴重污染日[2]。冬季北方沙塵暴及供暖外來污染物南下影響沿途空氣質量[1，10]，如 2017 年5 月、12 月荊州市環境空氣質量遭受北方沙塵天氣影響，顆粒物濃度急劇升高，出現重度污染天氣。在冬季，北方污染干冷氣團在向南的過程中濕度增大，導致氣態污染物發生二次反應轉化為細顆粒物的程度顯著增強。

2.2.6 其他

近年來，O3超標情況逐漸突出，2015 年首要污染物為O3的有40 d（占27.4%），2019 年首要污染物為O3的有34 d（占39.5%），O3超標主要發生在夏季、初秋的午后至傍晚時段，夏季、初秋午后，氣溫高、日照強，為氮氧化物和揮發性有機物發生大氣光化學反應提供了有利條件[5]，從而生成近地面臭氧等強氧化劑，導致臭氧超標。

3 結語

（1）荊州市環境空氣質量變化分為兩個階段：2010—2014 年環境空氣質量總體下降；2015—2019年環境空氣質量有所改善，其中SO2、PM2.5、CO 濃度總體顯著下降，NO2濃度不顯著上升，PM10 濃度總體不顯著下降，O3濃度不顯著下降。NO2/SO2濃度比值呈顯著上升趨勢，荊州市空氣污染由傳統煤煙型轉變為機動車尾氣型，表現出典型的復合污染特征，夏季臭氧、冬季細顆粒物季節性污染問題突出。

（2）產業結構升級、能源結構優化、重點污染源整治、機動車尾氣控制、揚塵污染治理等對荊州市環境空氣質量改善起到了重要作用。地形、氣象條件、沙塵等自然因素是大氣污染物濃度時空變化的外因。

（3）O3超標情況逐漸突出，在下一階段的污染防治攻堅戰中，荊州市應重點關注夏秋季節的臭氧污染，協同推進氮氧化物和揮發性有機物減排，實現細顆粒物和臭氧協同控制。